超電導磁気エネルギー貯蔵システム (SMES)

エネルギー貯蔵は、後で効率的に使用できるようにエネルギーを貯蔵するデバイスまたは物理メディアで行われるプロセスです。

エネルギー貯蔵システムは、機械式、電気式、化学式、熱式に分類できます。最新のエネルギー貯蔵技術の 1 つは SMES システム、つまり超電導磁気エネルギー貯蔵 (超電導磁気エネルギー貯蔵システム) です。

超電導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) システムは、臨界超電導温度以下の温度まで極低温に冷却された超電導コイル内の直流電流によって生成される磁場にエネルギーを蓄えます。超電導コイルを充電しても電流は減少せず、磁気エネルギーは無限に蓄えられます。蓄えられたエネルギーはコイルを放電することで系統に戻すことができます。

超電導磁気エネルギー貯蔵システムは、直流電流の流れによって生成される磁場に基づいています。 超電導コイルの中.

超電導コイルは継続的に極低温に冷却されるため、その結果、常に臨界温度、つまり 100℃ を下回ります。 超電導体… コイルに加えて、SMES システムには極低温冷凍機と空調システムが含まれています。

結論は、超電導状態にある充電コイルはそれ自体で連続電流を維持できるため、特定の電流の磁場はその中に蓄えられたエネルギーを無限に長く蓄えることができるということです。

超電導コイルに蓄えられたエネルギーは、必要に応じて、そのようなコイルの放電中にネットワークに供給できます。 DC電源をAC電源に変換するには、 インバータ、およびネットワーク (整流器または AC-DC コンバータ) からのコイルの充電用。

一方向または別の方向へのエネルギーの高効率変換の過程で、中小企業での損失は最大 3% に相当しますが、ここで最も重要なことは、この方法によるエネルギー貯蔵のプロセスでは、損失が最も少ないということです。現在知られているエネルギー貯蔵および貯蔵方法のいずれか。中小企業全体の最低効率は 95% です。

超電導材料のコストが高く、また冷却にもエネルギーコストが必要であるという事実を考慮すると、SMESシステムは現在、短期間エネルギーを貯蔵し、同時に電源の品質を向上させる必要がある場合にのみ使用されています。 。つまり、伝統的に緊急の必要がある場合にのみ使用されてきました。

SME システムは次のコンポーネントで構成されます。

• 超電導コイル,
• クライオスタットおよび真空システム、
• 冷却システム、
• エネルギー変換システム、
• 制御装置。

中小企業システムの主な利点は明らかです。まず第一に、超電導コイルがその磁場に蓄えられたエネルギーを受け入れたり放棄したりできる時間は非常に短いです。このようにして、瞬間的に巨大な放電力を得ることができるだけでなく、最小限の時間遅延で超電導コイルを再充電することも可能になります。

中小企業を、フライホイールや油圧アキュムレータを備えた圧縮空気貯蔵システムと比較すると、後者は電気から機械への変換、またはその逆の変換中に膨大な遅延が生じるという特徴があります（—を参照）。 フライホイールエネルギー貯蔵).

可動部品がないことも SMES システムの重要な利点であり、信頼性が向上します。そしてもちろん、超電導体には能動抵抗が存在しないため、ここでの貯蔵損失は最小限に抑えられます。 SMES の比エネルギーは通常 1 ～ 10 Wh/kg です。

1 MWh SMES は、最高品質の電力を必要とするマイクロエレクトロニクス工場など、必要に応じて電力品質を向上させるために世界中で使用されています。

さらに、中小企業は公益事業でも役に立ちます。そのため、米国の州の 1 つに製紙工場があり、その稼働中に送電線に強いサージが発生する可能性があります。現在、工場の電力線には、電力網の安定性を保証する一連の SMES モジュールが装備されています。 20 MWh の容量を持つ SMES モジュールは、2 時間で 10 MW、または 30 分間で 40 MW すべてを持続的に供給できます。

超電導コイルによって蓄えられるエネルギー量は、次の式を使用して計算できます (L はインダクタンス、E はエネルギー、I は電流)。

超電導コイルの構造的構成の観点から、変形に強く、熱膨張や熱収縮の指標が最小限であること、また、コイルの加工中に必然的に発生するローレンツ力に対する感度が低いことが非常に重要です。インストールの操作 (電気力学の最も重要な法則）。これはすべて、設備の特性と建設材料の量を計算する段階で巻線の破壊を防ぐために重要です。

小規模なシステムの場合、全体のひずみ率は 0.3% が許容可能であると考えられます。さらに、コイルのトロイダル形状は外部磁力の低減に貢献し、支持構造のコストを削減することができ、また、設置物を荷重物の近くに配置することも可能になります。

SMES の設置が小規模な場合は、トロイドとは異なり特別な支持構造を必要としないソレノイド コイルも適している可能性があります。ただし、トロイダルコイルは、特にエネルギー集約型の構造の場合、プレスフープとディスクが必要であることに注意してください。

上で述べたように、冷却された超電導冷凍機は動作するために継続的にエネルギーを必要とするため、当然ながら SMES の全体的な効率が低下します。

したがって、設置設計時に考慮する必要がある熱負荷には、支持構造の熱伝導率、加熱面の側面からの熱放射、充放電電流が流れるワイヤのジュール損失、および損失が含まれます。仕事中は冷蔵庫の中。

これらの損失は一般に設備の公称電力に比例しますが、SMES システムの利点は、エネルギー容量が 100 倍増加しても、冷却コストは 20 倍しか増加しないことです。さらに、高温超電導体の場合、低温超電導体を使用する場合よりも冷却の節約が大きくなります。

高温超電導体をベースにした超電導エネルギー貯蔵システムは冷却の要求が低いため、コストも低くなるはずと思われます。

しかし実際には、これは当てはまりません。通常、設置インフラの総コストは超電導体のコストを超え、高温超電導体のコイルは低温超電導体のコイルよりも最大 4 倍高価です。 。

さらに、高温超電導体の限界電流密度は低温超電導体よりも低く、これは 5 ～ 10 T の範囲の動作磁場に当てはまります。

したがって、同じインダクタンスの電池を得るには、より多くの高温超電導線が必要になります。そして、設備のエネルギー消費量が約200MWhである場合、低温超電導体（導体）は10倍高価であることが判明します。

さらに、主要なコスト要因の 1 つは、冷蔵庫のコストがいずれにしても非常に低いため、高温超電導体を使用して冷却エネルギーを削減しても、節約できる割合は非常に低いということです。

ピーク動作磁界を増加させることで、SMES に蓄えられる体積を減らしてエネルギー密度を高めることが可能であり、ワイヤ長の短縮と全体のコストの削減の両方につながります。最適値は約7Tのピーク磁場と考えられています。

もちろん、磁場が最適値を超えて増加した場合、最小限のコスト増加で体積をさらに縮小することが可能です。しかし、補償シリンダー用のスペースを残したままトロイドの内部部品を結合することは不可能であるため、磁場誘導の制限は通常物理的に制限されます。

超電導材料は、中小企業にとって費用対効果が高く効率的な設備を構築する上で依然として重要な問題です。今日の開発者の努力は、超電導材料の臨界電流と変形範囲を増加させること、および製造コストを削減することを目的としています。

中小企業システムを広く導入するまでの技術的困難を要約すると、次のように明確に区別できます。コイル内で発生する大きなローレンツ力に耐えられる強固な機械的サポートの必要性。

たとえば容量 5 GWh の中小企業の設備には、長さ約 600 メートルの超電導回路 (円形または長方形) が含まれるため、広い土地が必要です。さらに、超電導体を取り囲む液体窒素の真空容器（長さ 600 メートル）を地下に設置し、確実なサポートを提供する必要があります。

次の障害は、超電導高温​​セラミックスが脆いため、大電流の線引きが困難であることです。超電導を破壊する臨界磁場も、SMES の比エネルギー強度を高める際の障害となります。 NS にも同じ理由で臨界電流の問題があります。